AUV方向和深度控制研究

裴仁俊

【摘要】AUV需要在各種水下不利環(huán)境下展現(xiàn)其性能，在各種復(fù)雜的海洋環(huán)境下具備高度的智能化，因此，對它的控制面臨許多困難和挑戰(zhàn)。此外，AUV的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)非常不規(guī)則，航行時(shí)會(huì)受到水動(dòng)力學(xué)等許多不確定的外部干擾。為了對AUV進(jìn)行精確的水下跟蹤定位，必須設(shè)計(jì)一種新型的導(dǎo)航和深度控制系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)了兩種控制系統(tǒng)：第一種是線性的，使用標(biāo)準(zhǔn)PID技術(shù)，而第二種是非線性的，采用自適應(yīng)方法文中研究了自適應(yīng)控制系統(tǒng)在水下航行器不規(guī)則運(yùn)動(dòng)模型的應(yīng)用，仿真結(jié)果表明，非線性模式的控制系統(tǒng)比常規(guī)的PID方法具有更好的控制性能。

【關(guān)鍵詞】自主水下航行器;方向;深度;控制

1.引言

隨著海洋技術(shù)的發(fā)展，自主水下航行器（AUV）的應(yīng)用和研究變得更加迫切。在軍事和民用方面，AUV有大量應(yīng)用前景，例如尋礦、水下測量，探測、觀測與處理等。AUV完全符合低成本、無人探測和監(jiān)測海洋復(fù)雜水下環(huán)境和其他水下生態(tài)系統(tǒng)的需求。

本文重點(diǎn)介紹控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。由于AUV航行的不規(guī)則性和環(huán)境模型建立的復(fù)雜性，在一個(gè)不確定的開放環(huán)境下控制一個(gè)AUV面臨很多挑戰(zhàn)性的控制問題。許多文章都提出了各種先進(jìn)的水下控制方法，一些非線性的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)都需要精確的系統(tǒng)模型，一些則需要大量的不確定的參數(shù)。由于水動(dòng)力的不確定性，獲得一個(gè)精確的AUV系統(tǒng)模型非常不易。

一種好的自適應(yīng)控制系統(tǒng)不需要精確的系統(tǒng)模型，它可以由不確定的估算和輸入的航行路線來建立。本文提出了一種帶有六個(gè)自由度的水下機(jī)器人定位控制的方法，研究了自適應(yīng)控制系統(tǒng)在水下航行器不規(guī)則運(yùn)動(dòng)模型的應(yīng)用，仿真結(jié)果表明，非線性模式的控制系統(tǒng)比常規(guī)的PID方法具有更好的控制性能。

2.AUV模型

為了描述航行器的位置和姿態(tài)，慣性參考坐標(biāo)系和自身參考系如圖1所示。

圖1 AUV自身參考系和慣性坐標(biāo)參考系

描述AUV的模型非線性微分方程組如下所示：

即：

自身的速度向量如下：[U V W]慣性參考系下航行體自身調(diào)節(jié)速率矢量;[x y z]慣性參考系下航行體重心位置矢量;δr： 舵角度;δs：船尾角度;Xprop：推進(jìn)器動(dòng)力。

3.目標(biāo)控制

對目標(biāo)的控制是通過追蹤由導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生的參考系實(shí)現(xiàn)的。本文中假定用于搜索和探索海洋的軌跡是已知的。為了識(shí)別和搜索大海中的某個(gè)區(qū)域，其主要的操作形式如圖2所示。本圖顯示了AUV要求按照指定的深度和設(shè)定的路徑移動(dòng);按照“S”型路線搜索并進(jìn)行干擾補(bǔ)償，例如海底涌流帶來的干擾。方向和深度曲線如圖3所示。

圖2 AUV搜索模式

圖3 方向和深度曲線

4.控制器設(shè)計(jì)

必需設(shè)計(jì)一個(gè)滿足以下性能的控制器：（1）能估算不定參數(shù);（2）能跟蹤輸入?yún)?shù);（3）能抗干擾。

5.自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)

假設(shè)系統(tǒng)模型為;

（7）

S在方程8中定義：

（8）

消掉s：

（9）

由方程（8）（9），得到方程（10）：

（10）

方程（11）表示控制信號(hào)：

（11）

Lyaponuv 公式如等式（12）：

（12）

結(jié)合方程（12），系數(shù)h，a1，a2可以由下列方程確定：

（13）

（14）

（15）

a2是評(píng)估海洋涌流強(qiáng)度的一個(gè)參數(shù)，比如攪動(dòng)力。

自適應(yīng)控制器的評(píng)估結(jié)果如圖4，5，6所示。在仿真中，假設(shè)海流為2節(jié)。方程的變量是未知的，可以通過方程13、14、15來確定。

圖4 干擾情況下使用自適應(yīng)控制器的AUV運(yùn)動(dòng)

圖5 干擾情況下使用自適應(yīng)控制器在x，y，z方向上的 AUV運(yùn)動(dòng)

圖6 干擾情況下使用自適應(yīng)控制器在翻滾、傾斜、偏航方向上的AUV運(yùn)動(dòng)

6.結(jié)束語

本文闡述了一種關(guān)于AUV系統(tǒng)位置控制的自適應(yīng)控制方法。由于非線性多元?jiǎng)恿W(xué)變量的不確定性和干擾的不可估量性，AUV的位置控制成為一個(gè)重要的課題。AUV的動(dòng)力方程是非線性、多元化和不確定的。對這套系統(tǒng)來講，海洋的涌流是重要的干擾，需要確認(rèn)方程中的變量——水力學(xué)的系數(shù)，而一些變量不需要精確的數(shù)值，比如水力系數(shù)。計(jì)算這些變量相當(dāng)復(fù)雜并需要很多時(shí)間和精力，這些變量隨著環(huán)境條件而變化。

參考文獻(xiàn)

[1]Slotne J.J.，LI W.，“Applied Nonlinear Control”，Prentice-Hall，1991.

[2]Loeipour M.，（2001），“Dynamic of underwater vehicles”，sub sea R&D research centre，Isfahan University of Technology，Isfahan，Iran Underwater Technology，spring 1993.